電動(dòng)汽車技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)及前景

1、電動(dòng)汽車技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)及前景3混合動(dòng)力電動(dòng)汽車（HEV ）由于完 全由動(dòng)力蓄電池驅(qū)動(dòng)的純電動(dòng)汽車，其性能/價(jià)格比長(zhǎng)期以來 都遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)汽車，難于與傳統(tǒng)汽車相競(jìng)爭(zhēng)，上個(gè)世紀(jì)90年代以來各大汽車公司都著手開 發(fā)混合動(dòng)力汽車。日本豐田公司在 1997 年率先向市場(chǎng)推出 先驅(qū)者”（Prius ）混合動(dòng)力汽車，并在日本、美國(guó)和 歐洲各國(guó)市場(chǎng)上均獲得較大成功，累計(jì)產(chǎn)銷量已超過60萬輛。隨后日本本田、美國(guó)福特、通用和歐洲一些大公司，也紛紛向市場(chǎng)推出各種類型 的混合動(dòng)力汽車。3.1研制全混合電動(dòng)汽車的必要性混合動(dòng)力電動(dòng)汽車是指具備兩個(gè)以上動(dòng)力源、而其中有一個(gè)可以釋 放電能的汽車?；旌蟿?dòng)力汽車按混合方式

2、不同，可分為串聯(lián)式、并聯(lián)式和 混聯(lián)式三種；按混合度 （電機(jī)功率與內(nèi)燃機(jī)功率之比）的不同，又可分 為微混合、輕度混合和全混合三種。其中外掛式皮帶驅(qū)動(dòng)起動(dòng)/發(fā)電（BSG） 式是微混合動(dòng)力汽車的典型結(jié)構(gòu)，其 電機(jī)功率一般僅23kW，依賴發(fā) 動(dòng)機(jī)的停車斷油功能，可節(jié)燃油57% ;在發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸后端加裝一個(gè)電動(dòng) /發(fā)電型盤式電機(jī)（ISG ）是輕度混合動(dòng)力汽車的 典型結(jié)構(gòu)；具有純電力 驅(qū)動(dòng)功能的可作為全混合或混聯(lián)式混合動(dòng)力汽車的典型。豐田公司的 Prius轎車即屬于這類全混合汽車。目前我國(guó)若干汽車企業(yè)研制的混合動(dòng)力汽車，大多采用ISG輕度混合或BSG微混合方案，主要是考慮這二 種方案的技術(shù)難度較小，生產(chǎn)成本

3、也較低。但是根據(jù)研究表明，混合動(dòng)力 汽車的節(jié)油率幾乎與汽車功率的混合度和汽車的生產(chǎn)成正比上升（如圖 2）。因此，從長(zhǎng)遠(yuǎn)來看，研制全混合電動(dòng)汽車是一種必然趨勢(shì)。圖2混合動(dòng)力汽車混合度與節(jié)油率的關(guān)系3.2研發(fā)及市場(chǎng)情況F面分別介紹混合動(dòng)力乘用車和混合動(dòng)力公交車的研發(fā)及市場(chǎng)情況以節(jié)油率最佳的豐田Prius汽車為例，在我國(guó)實(shí)測(cè)它與豐田花冠(Corrolla )油耗在不同工況下的對(duì)比數(shù)據(jù)如表 3所示。各種工況下的平 均節(jié)油率為39.6 %，平均百公里可節(jié)油3.07L。以97號(hào)汽油價(jià)格為5 元/L計(jì)算，每百公里可節(jié)省油費(fèi)15.35元，行駛20萬km也僅省油費(fèi) 3.07萬元，顯 然還不足以抵消購置混合動(dòng)力汽

4、車所增加的費(fèi)用。據(jù)中國(guó)汽車工業(yè)協(xié)會(huì)統(tǒng)計(jì)，2006年一汽豐田普銳斯(Prius )銷量?jī)H為2152 輛，占全國(guó)乘用車總銷量 的0.04 %?？紤]到我國(guó)用戶對(duì)汽車售價(jià)的敏感 性，這一銷售業(yè)績(jī)并不令人驚奇，可以認(rèn)為在近期，如果沒有政府的大力 支持，混合動(dòng)力乘用車在我國(guó)不會(huì)有很大的市場(chǎng)。秦3豐田Fnz與Corrolfa對(duì)比買際節(jié)油畢:;行駛工況(L(L/IOOkm)北康市區(qū)4.8140.北京市郊7.4554,1%北京粽合4.91轉(zhuǎn)栽滯試GB/T18352.2)4,7(17亠37. H%轉(zhuǎn)轂渕試(日本詢/計(jì)工況)4 JJ7了&46.9%乎禺4.6K7.753.3城市公交車的使用特點(diǎn)在我國(guó)，城市公

5、交車與私人乘用車的情況有很大的不同，具體歸納為以下三點(diǎn)：(1) 據(jù)統(tǒng)計(jì)我國(guó)城鎮(zhèn)居民日常出門有 70 %是首選乘坐公交車，我 國(guó)大部分城市政府都奉行公交車優(yōu)先的交通政策，我國(guó)公交車的年產(chǎn)量和 保有量都居世界第一；(2 )我國(guó)城市公交車大多由市政府補(bǔ)助公交企業(yè)采購，公交車是否 符合節(jié)油減排要求，將是政府需要考慮的一個(gè)重要采購原則；(3)從技術(shù)角度來分析，在城市工況下，公交車頻繁起步、加速、 制動(dòng)和停車，要額外消耗許多燃油。表 4列出了在國(guó)外四種典型城市工 況下，汽車制動(dòng)消耗能 量(油耗)所占比例，其算數(shù)平均值達(dá) 47.1 %< 即有近一半的燃油是被汽車頻繁制動(dòng)所消耗的，這就為混合動(dòng)力公交車的

6、 節(jié)油減排留下了相當(dāng)大的空間。賽4不同王況下溥車制動(dòng)龍只情況屮mm?晉菇站辭峯ggawNYCCUDD6|平均馳動(dòng)總能Mid318915024424520制動(dòng)能益kJ76172S6704K3%7L1%45t L%47 J%正是考慮到以上幾個(gè)特點(diǎn)，我國(guó)至少有78家汽車企業(yè)將研發(fā)、生產(chǎn)混合動(dòng)力公交車作為研發(fā)工作的重點(diǎn)。 經(jīng)過近幾年的開發(fā)，雖然已取得 了一系列重大成果，但 公交車的節(jié)油率并未達(dá)到預(yù)計(jì)的要求，一輛總重 15.5t ,長(zhǎng)11m的混合動(dòng)力公交車，實(shí)際油耗大多為 3335L，平均 34L/100km ，若傳統(tǒng)11m 公交車的平均油耗為40L/100km ，則節(jié)油 率僅15 %。3.4節(jié)油率難以

7、進(jìn)一步提高的原因分析節(jié)油率難以進(jìn)一步提高的原因主要有二個(gè)：(1) 汽車的制動(dòng)過程十分短暫，一半不超過10s，在短短的幾秒 內(nèi)，電機(jī)要求發(fā)出很大的電流，才能有效回收制動(dòng)能量，但是電池的充電 倍率只有放電倍率的 一半，因此電池不能接受大電流充電。理論上汽車 有5060 %的制動(dòng)能量可回收，實(shí)際回收的制動(dòng)能量20 %，最簡(jiǎn)單的 改進(jìn)辦法是加大動(dòng)力電池容 量，例如至少加大容量一倍，回收的制動(dòng)能 量可由20 %增加到40 %。但這將大大增加整車成本和汽車自重， 經(jīng)濟(jì)上 可能是得不償失。(2) 混合動(dòng)力公交車若采用停車斷油，甚至滑行時(shí)即斷油，可節(jié)油10 %左右(4L/100km)，實(shí)際上國(guó)產(chǎn)柴油機(jī)沒有專門

8、為混合動(dòng)力汽車設(shè)計(jì)，一般不允 許頻繁的停車斷油，否則供油系和廢氣增壓器都可能 損壞，嚴(yán)重影響柴油機(jī)壽命。其次，停車斷油就必須裝有電動(dòng)轉(zhuǎn)向油泵、 電動(dòng)空壓機(jī)和電動(dòng)空調(diào)系統(tǒng)，這又會(huì)大 大增加整車成本和重量，二相權(quán) 衡，不一定合算，所以近期大多未實(shí)現(xiàn)停車斷油功能。因此，目前HEV的開發(fā)重點(diǎn)集中在節(jié)油降耗的工作上，針對(duì)以上問題，科研工作者提出了不同的解決方案，如利用超級(jí)電容器的功率密度達(dá)鉛酸電池的10 倍,具有快速吸收大電流充電的優(yōu)異特性，在混合動(dòng)力汽車制動(dòng)時(shí)可以快速吸 收能 量，大大提高制動(dòng)能量的回收率，此外它還具有循環(huán)壽命長(zhǎng)、充放 電效率高、耐低溫特好以及免維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)。這種方案由于受到超級(jí)電容價(jià)

9、格昂貴的影響，限制了它 在混合動(dòng)力汽車上的廣泛應(yīng)用。在進(jìn)一步降低 成本，提高能量密度后，超級(jí)電容器最有可能首先在混合動(dòng)力公交車上得 到應(yīng)用。4外接充電式混合動(dòng)力汽車外接充電式混合動(dòng)力汽車是最新的一代混合動(dòng)力汽車類型，近年來受PHEV到各國(guó)政府、汽車企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)的普遍關(guān)注，國(guó)內(nèi)外專家認(rèn)為, 有望在幾年后得到廣泛的推廣使用。據(jù)統(tǒng)計(jì)，法國(guó)城鎮(zhèn)居民80 %以上日均駕車?yán)锍躺儆?0km，在美國(guó)， 汽車駕駛者也有60 %以上日均行駛里程少于50km ,80 %以上日均行駛 里程少于90km。PHEV特別適合于一周有5天僅駕車用于上下班，行 駛里程5090km 之間的工薪族使用。PHEV是在混合動(dòng)力汽車上

10、增加 了純電動(dòng)行駛工況， 并且加大了動(dòng)力電池容量，使 PHEV采用純電動(dòng)工 況可行駛5090km，超過這一里程，即必須起動(dòng)內(nèi)燃機(jī)，采用混合驅(qū) 動(dòng)模式。所以PHEV的電池容量一般達(dá)510kW h，約是純電動(dòng)汽車 電池容量的3050 %，是一般混合動(dòng)力汽車電池容量的 35倍，可以 說它是介于混合動(dòng)力汽車與純電動(dòng)汽車之間的一種過渡性產(chǎn)品。與傳統(tǒng) 的內(nèi)燃機(jī)汽車和一般混合動(dòng)力汽車（HEV）對(duì)比（見表5 ），PHEV由于 更多的依賴動(dòng)力電池驅(qū)動(dòng)汽車，因此它的燃油經(jīng)濟(jì)性進(jìn)一步提高，二氧化碳和氮氧化物排放更少。由于動(dòng)力電池容量的加大，每輛車的售價(jià)至少 比一般HEV高2000 美元。表51斗萬姜沅乘用車茂為HE

11、V和PHEV后的性能與價(jià)辛即iPHEV燃油煙潔性捱舟31%56%二氣先置排戰(zhàn)蔵少21%40%號(hào)賓化物射城球少10%32%與內(nèi)燃機(jī)汽車的價(jià)権蓋2500美元4,00美元比內(nèi)燃鞏汽車價(jià)格增加1K%32%圖3示出了四種不同類型乘用車，它們的蓄電池容量與汽車價(jià)格、 燃油消耗及尾氣排放的對(duì)比關(guān)系。可見 隨著蓄電池容量的加大，汽車價(jià) 格將上升，但是燃油消耗和尾氣排放則下降。因此可以認(rèn)為，電動(dòng)汽車是 以使用和損耗蓄電池為代價(jià)來換取節(jié)油、減排的效果，動(dòng)力電池性/價(jià)比 的大幅提升將是電動(dòng)汽車能否迅速推廣使用的關(guān)鍵所在。” r一1H 1-ttHEVPH EVPEV圖3四種不同乘用車蓄電池容量、汽車價(jià)格、燃油消耗與排

12、放對(duì)比一般HEV動(dòng)力電池SOC僅在較小范圍內(nèi)波動(dòng)（例如 ±2 %3 %） 因此循環(huán)壽命次數(shù)很長(zhǎng)，而PHEV的動(dòng)力電池SOC必須在很大的范圍內(nèi) 波動(dòng)（例如±40 %），屬于深充深放，因此循環(huán)工作壽命短得多，和純電 動(dòng)汽車（PEV）相似。目前在PHEV上都采用先進(jìn)的鋰離子電池，由表1 可知，鋰離子電池每放出1kWh電能，能耗費(fèi)為10.2元，相當(dāng)于內(nèi)燃 每kWh能耗費(fèi)用的3倍。隨著全球石油價(jià)格不斷上 升，燃油內(nèi)燃機(jī)的 能耗費(fèi)用也將不斷上升，而鋰離子電池隨著技術(shù)進(jìn)步和產(chǎn)量的擴(kuò)大，其能耗費(fèi)用將不斷下降（如圖4所示），二者可能在2015至2020年內(nèi)達(dá) 到平衡點(diǎn)。因此PHEV有望在10

13、年內(nèi)得到大面積推廣使用。5燃料電池電動(dòng)汽車早在1839年，英國(guó)人格羅孚就提出了氫和氧反應(yīng)發(fā)電的原理。20世紀(jì)60年代，研發(fā)出了液氫和液氧發(fā)電的燃料電池，由美國(guó) UTC公司 首先用于航天和軍事用途。近 20年來，由于石油危機(jī)和大氣污染日趨 嚴(yán)重，以質(zhì)子交換膜式為代表的燃料電池技術(shù)，受到世界各國(guó)普遍重視。 各大跨國(guó)汽車公司紛紛投入巨資，研發(fā)出了各種類型的燃料電池電動(dòng)汽車（FCEV）。5.1 質(zhì)子交換膜燃料電池( PEMFC )主要優(yōu)點(diǎn)(1)其排放生成物是水及水蒸汽，為零污染；(2)能量轉(zhuǎn)換效率可高達(dá)6070 % ;( 3 )無機(jī)械振動(dòng)、低噪聲、低熱輻射 ;(4)宇宙質(zhì)量中有 75 %是氫，地球上氫

14、也幾乎是無處不在。氫還是 化學(xué)元素中質(zhì)量最輕、導(dǎo)熱性和燃燒性最好的元素 ;( 5)氫的熱值很高， 1kg 氫和 3.8L 汽油的熱值相當(dāng)。5.2 燃料電池電動(dòng)汽車存在的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)問題在我國(guó)，國(guó)家科技部將研發(fā)燃料電池客車和燃料電池轎車列為 “十五 和“十一五 ”計(jì)劃“863”重大科技項(xiàng)目。并已取得一系列重大科技成果，但 是在多年科研實(shí)踐中，也暴露出一些技術(shù)、經(jīng)濟(jì)問題 :( 1 )燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)的耐久性壽命短一般僅 1000 1200 小時(shí)(國(guó)外達(dá) 2200 小時(shí))，燃料電池汽車行 駛 4 5 萬 km ，功率即下降 40 %，和傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)可普遍行駛 50 萬 km 以上相比，差距很大；( 2 )

15、燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)的制造成本居高不下一般估計(jì) 3 萬元 /kW (國(guó)外成本約 3000 美元 /kW )，與傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī) 僅 200 350 元 /kW 相比，差距巨大。由于其中如質(zhì)子交換膜、炭紙、 鉑金屬催化劑、 高純度石墨粉、 氫回收泵、 增壓空氣泵等關(guān)鍵部件均依靠 進(jìn)口，所以與國(guó)外相比，并沒有成本優(yōu)勢(shì)；( 3 )燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)工作環(huán)境的適應(yīng)性很差國(guó)產(chǎn)可在040 C氣溫下工作，低于0 C有結(jié)冰問題，高于40 C過 熱不能正常工作； 此外對(duì)空氣中的粉塵、 一氧化碳、硫化物等都十分敏感， 鉑催化劑極易污染中毒失效；( 4)燃料電池汽車的使用成本過于高昂例如高純度(99.999 %)高壓氫(>

16、200 大巴)售價(jià)約80100元/kg 。 按1kg氫可發(fā)10kWh電能計(jì)算，僅燃料費(fèi)即約為10元/kWh,按燃 料電池發(fā)動(dòng)機(jī)工作壽命1000小時(shí)計(jì)算，折舊費(fèi)為30元/kWh。所以總 的動(dòng)力成本達(dá)40元/kW- h。與表1對(duì)照可知，至少在目前，由 燃料電 池發(fā)動(dòng)機(jī)提供 1kWh 電能的成本遠(yuǎn)高于各種動(dòng)力電池，這從一個(gè)側(cè)面反 映了作為汽車動(dòng)力源，燃料電池汽車還有相當(dāng)?shù)木嚯x。5.3 目前燃料電池電動(dòng)汽車的研究課題盡管存在如此多的問題， 但是燃料電池仍然是人類迄今為止， 發(fā)明的最清潔、安靜又可無限再生的能源， 值得我們?yōu)閷?shí)現(xiàn)燃料電池電動(dòng)汽車的產(chǎn)業(yè)化，付出更大的努力。為此建議從以下幾個(gè)方面進(jìn)行工作 :

17、（ 1） 以更為創(chuàng)新的思維，對(duì)燃料電池的基本理論和基礎(chǔ)材料進(jìn)行深 入研究，例如努力探尋非鉑金屬催化劑 ; 努力研制抗電腐蝕金屬雙極板和 耐高溫（110 c ）高機(jī)械強(qiáng)度質(zhì)子交換膜等；（ 2 ） 努力實(shí)現(xiàn)如炭紙、增壓空氣泵等關(guān)鍵零部件的國(guó)產(chǎn)化，以降低 整機(jī)成本 ；（3）進(jìn)一步提高整機(jī)的優(yōu)化集成技術(shù)， 著力提高整機(jī)的耐候性 （高、 低氣溫變化）、抗大氣污染能力和耐電負(fù)荷急劇變化能力等。僅供個(gè)人用于學(xué)習(xí)、研究；不得用于商業(yè)用途For personal use only in study and research; not for commercial use.Nur f u r den pers?nlichen f